1、 i基于蜂窝网络的无线抄表系统摘 要长期以来，三表数据抄送问题都是相关供应部门非常想解决但又得不到切实解决的问题。在行业信息化过程之中，户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义，因为户表数据是相关行业销售过程中最原始的数据，这个数据的准确度和及时性直接影响了行业内部其它信息化水平。目前使用的基于无线数传模块的抄表系统都是采用单跳的通信方式，由于射频芯片发射功率的限制，其覆盖范围有限，会出现许多盲点。本文在单跳方式的基础上，提出了一种自动搜索的寻的算法，通过中继的转发来实现多跳，扩大覆盖范围。关键词：无线抄表，组网，射频芯片，自动搜索iiWIRELESS METER READING SYSTEM
2、BASED ON NETWORKABSTRACTFor a long time, how to read meters data is a question that the government wants to solve quickly. Automatic meter reading system is very important because its the original data. The data which is exact and timely is very important. For the moment, automatic meter reading sys
3、tem based on wireless RF chip all use one jump communication. For its limited send power, the covered area is very limited so that there are many blind spot. This article is based on multi-jump communication and via relay to spread the covered area.Key Words: wireless meter reading, network, RF chip
4、, automatic search目录摘 要 .iABSTRACT.ii第一章 绪论 .11.1 自动抄表 的背景 .11.2 自动抄表的通信方式 .31.3 无线抄表技术的特点及面临的问题 .41.4 ZigBee 简介 .61.4.1 ZigBee 技术简介 .61.4.2 ZigBee 技术特点 .81.5 本文的主要研究工作及各章节安排 .9第二章 无线通信的主要技术 .112.1 介质及频段选择 .112.2 调制技术 .122.3 扩频技术 .142.3.1 直接序列扩频 .162.3.2 跳频 .162.3.3 跳时 .172.3.4 线性调频 .172.4 本章小结 .18第
5、三章 无线抄表方案 .193.1 课题研究的意义 .193.2 信道接入概述 .203.3 寻的算法 .213.2.1 穷举法 .213.2.2 区域算法 .213.2.3 分区自动搜索算法 .233.4 本章小结 .25第四章 系统的硬件设计 .264.1 系统的整体结构 .264.2 无线收发模块 .274.2.1 芯片的选用 .274.2.2 CC1100 应用电路 .304.2.3 脉冲采集的可靠性设计 .324.2.4 高速 PCB 电路的可靠性设计 .334.3 掌机 .354.3.1 控制芯片的选型 .354.3.2 系统结构介绍 .354.4 系统的主要参数 .414.5 本章
6、小结 .41第五章 系统的软件设计 .425.1 程序的模块化设计 .425.2 无线模块软件的设计 .425.3 掌机软件的设计 .435.4 终端软件的设计 .445.5 本章小结 .45第六章 总结与展望 .466.1 实地测试结果 .466.2 工作总结 .466.3 展望 .47参考文献 .48附录 .52致谢 .53攻读学位期间发表的学术论文目录 .541第一章 绪论1.1 自动抄表的背景长期以来，三表数据抄送问题都是相关供应部门非常想解决但又得不到切实解决的问题。在行业信息化过程之中，户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义，因为户表数据是相关行业销售过程中最原始的数据，这个数据的
7、准确度和及时性直接影响了行业内部其它信息化水平。当前，我国水、电、气的计量收费管理，大多采用管理单位的抄表员登门入户进行人工抄表收费的方式。这种收费方式，存在着许多弊端。主要体现在以下几点：1) 入户难：由于居民生活水平的提高、家庭财产价值越来越高、越来越重视隐私权等原因，用户不希望被人打扰；加之社会上不法分子乘机冒名入室抢劫，极易引发社会治安问题；同时入户抄表只能在早、晚居民休息时间，抄表人员实际可利用抄表时间较短，因而使抄表率、收费率达到专业公司要求很难，水、电、气费漏抄、欠收、漏收严重，实际收费远低于统计值，费用流失严重。比如，全国燃气行业的差费率高达 20，天津更高达 40。2) 水、
8、电、气部门负担重：现行抄表收费结算方式给水、电、气部门经营带来困难。3) 管理费用开资过高：如 10 万户燃气用户，抄表和管理人员有 40-80 人，年费用近 100 多万元。特别是随着城市的发展，抄表收费问题更为突出，严重制约了相关企事业单位的发展。4) 抄表劳动强度加大：抄表收费人员工作条件差、效率低、劳动强度大；由于楼层越来越高、各住户逐步装修，所以入户难，且只能在早、晚入户抄表收费；各地收费人员遭抢或犯罪分子冒充收费人员入室作案时有发生，影响社会安定；现行抄表收费大多是人工抄表、人工收费、手工结算，效率低、误差大，已不适应企业管理现代化的要求。5) 问题多：用户、收费人员窃气、窃水、窃
9、电、作弊、拒交费用时有发生，造成各类费用不能及时准确的收缴，如日供气 100 万立方的能力下，收费率提高一个百分点，每年就可增收 365 万立方的气费，而实际上少收、漏收远高于此，2有的地区高达 20%以上，供水、供电更为严重。以某城市为例，国家规定供水漏收率为 8%，而实际漏收率大于 14%，如果能使漏收率降低 1.5 个百分点，即可增收 1000 多万元。由此可见，传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据。一般手工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够。研
10、制开发一种涵盖各类计量客户的全方位实时自动抄表系统是商业化运营的迫切需求。实现自动抄表主要有两种方式：一种是通过表本身来解决，即是采用 IC 卡式的表。比如用户在售电机上买电后插入自己的表中即可用电，预先将使用的电量记录在售电机中，实行先买电后使用；另一种就是利用自动抄表系统来解决。估计在相当长的时期内，世界上大多数国家以发展后者为主，我国也不例外。自动抄表（Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人
11、力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计而造成帐单出错，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。由于电力用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，故这种技术越来越受到用户欢迎。自动抄表系统发展始于 20 世纪 80 年代初，目前正在使用的任何一种自动抄表方式都因其自身存在的缺点，导致没有任何一种系统占有绝对的市场优势。对于电力行业，越来越多的用户希望采用安全、准确、稳定、可靠、安装简便、容易维护的抄表系统。纵观国外自动抄表技术的发展，一些先进国家目前主要以集中抄表，银行结算为主。有的国家利用有线定时拨通各用户后，发出问答信号，然后用户的电能表把用电数据通过电话线传到电
12、力局，经过计算机处理后，把各用户的电费通过有线传输到银行划拨。还有的国家采用类似以色列的抄表方式，各用户将用电的各种数据按一定的采集时间传输到供电变压器副边的集中器中，把各用户的用电数据处理后，利用3有线或无线定期传输到电力局的计算机系统计算后，用有线把各用户的电费数据传输到银行划拨。像美国已经开始使用车载自动抄表系统。抄表车主要按一定路线行驶，就可把用户的数据接收过来。这种水、电和煤气计量表上装有一种低功率的收发两用机，当抄表车从附近发出一种特定信号时，收发两用机就会立即将上述计量表的读数和用户 ID 号发射到空中，安装在汽车里的计算机就接收这些数据，并记录下来。我国自动抄表系统的应用比国外
13、晚了十几年，目前在国内应用的产品，大部分都是国外的现成技术。这些技术和产品在国外运行情况良好，但在国内的运行情况就令人不甚满意。究其原因，是我国的供电质量和社会环境造成的。能否根据我们的实际情况开发出适合我国国情的产品，才是这个系统能否在国内得到广泛应用并长久生存下去的关键所在。1.2 自动抄表的通信方式目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类。 有线通信技术1) 低压载波抄表：这种方式是利用现有电传输网传输相关数据，无须另外布线，纯数字通信。正常情况下其准确率可以很高，通过中继的方式可以传输的距离也很长。但有其固有缺点：大系统运行可靠性差，抗干扰能力差，大型电力设备引起
14、的电磁干扰无法消除，影响了这种系统的大面积推广。2) RS-485 总线：是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式，其数据传输速度较快，可靠、稳定，通信质量较高。但布线工作量大，通信信道易受外界因素破坏，且被损坏后故障排除困难，信道后续维护工作量大。3) 光纤通信：这种通信方式具有频带宽、通信距离远、传输速率高、抗干扰能力强等优点，但是连接节点造价和安装费用都比较高。4) 利用有线电视电话网抄表：这种方式是先将各用户数据集中到固定的集中器，由集中器经有线电视电话网传输相关的数据。这种方式可以做到全自动抄表，且达到极高的准确率。但是行业依赖性太大，受有线电视电话网分布的制约。显然，有线通信技
15、术虽然能解决一些问题，但有其固有不足，难于推广和满4足市场的需求。 无线通信技术1) 红外线：在红外线可视范围内，能非接触地读取仪表数据，操作简单方便，实现较可靠，且成本较低。但信息传输距离较短，对方位性要求高，且系统的自动化程度较低。2) GPRS：这种方式的准确率高、抗干扰能力强，实时性较好，而且覆盖面积广，但是需要申请频点使用权，对于家庭三表抄表来说，系统的运行成本很高，目前还很难推广。3) 使用无线数传芯片：这种方式准确率高、抗干扰能力较强，且它使用的是无需申请的 ISM 频段，成本较低，是一种较为理想的自动抄表方案。但是这种方式的数据轮询时间随着节点数的增加而线性增加，所组建的无线网
16、络的自管理功能非常有限，增加或者减少节点，都需要人工去修改相应的数据库配置；节点出现故障，也常常需要人工去诊断等等。这两大类抄表系统各有其适用的应用范围，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大的优势。1.3 无线抄表技术的特点及面临的问题目前市场上的无线抄表系统大致可分为基于无线数传模块、基于GPRS/CDMA 数字蜂窝网络、或者是二者结合等几种方式，从应用角度看，无线抄表技术具有以下显著特点：1) 无控制中心：无线抄表系统中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，控制中心与节点通过点对多点的方式连接。2) 干扰因素多：在无线抄表系统中，移动终端能够以任意速度和任
17、意方式在系统内移动，并可以随时关闭；无线收发装置的天线类型多种多样、发送功率随着携带能量的变化而变化；无线信道间的相互干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端变化的方式和速度都难以预测。3) 受限的无线传输带宽：无线抄表系统采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。54) 移动终端的能力有限：无线抄表系统中移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处，但是也存在固有缺陷，如能源有限、内存较小、CPU 性能较低等，从而
18、给应用程序设计开发带来一定的难度；屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。5) 数据特点：从总体上讲，由于是抄收每家每户的数据，因此其数据总量十分庞大，而此数据又直接关系到全社会每个人的经济利益，因此对数据的准确性、可靠性、安全性要求非常高。对于单个用户来说，其所要传输的数据特点是数据量少、传输速率低、实时性要求不高。由此可见，无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高；由于用电池供电，对功耗的要求也很苛刻；无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据；基于以上原因，要求设计的自动无线远传抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等
19、优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。无线抄表技术不同于传统的抄表技术的特点给无线抄表系统的设计与实现提出了新的挑战，主要有以下几点：1) 低能耗：无线抄表系统长期在无人职守的状态下工作，对系统中节点的平均能耗提出了更高的要求。如水表的无线抄表系统，为大量的水表频繁地更换电池是不现实的。这些典型的应用要求在无线抄表系统运行的过程中，每个节点都最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。2) 低成本：无线抄表系统由成百上千的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是
20、减少系统管理与维护的开销。3) 可靠性和安全性：在无线抄表系统中，通信的可靠性是系统正常运行的关键，如何更好地解决和避免通信中数据的碰撞和冲突是十分重要的。其次，系统的安全性也是必要的，由于采用无线信道通信，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为 ZigBee,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低6成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域以及家用设备联网等。1.4 ZigBee 简介1.4.1 ZigBee
21、 技术简介ZigBee，即 IEEE 802.15.4 技术标准，是一种无线连接技术的商业化命名，是 WPAN IEEE 802.15 工作组的标准之一，采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格，致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备使用的低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信协议，是一组基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术。ZigBee 最显著的技术特点是它的低成本、低功耗、无线自组网和网络容量大。IEEE 802.15.4 定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz
22、 和 868 / 915MHz 物理层。两个物理层都基于直序扩频（DSSS） ，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz 频段为全球统一的无须申请的 ISM 频段，有助于 ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz频段有 16 个信道，能够提供 250kbps 的传输速率； 868MHz 是欧洲的 ISM 频段，915MHz 是美国的 ISM 频段，这两个频段的引入避免了 2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz 频段只有一个信道，传输速率为 20kbps；915MHz频段有 10 个信道，传输速率为 40kbp
23、s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。2.4GHz 频段物理层采用的是 O-QPSK 调制，868 / 915MHz 频段采用 BPSK 调制。另外 MAC 层采用 CSMA-CS 机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。这些都很有效地提高了传输的可靠性。ZigBee 是由 ZigBee Alliance 所主导的标准，定义了网络层（Network Layer）、安全层（ Security Layer）、应用层（Application Layer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4 标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access
